- 大小功率LED照明方案選擇指南
- 模擬、PWM和TRIAC調光方案
- 使用像英飛凌TDA4863G這樣的DCM PFC的單級PFC反激拓撲
LED照明應用的主要設計挑戰包括以下幾個方面：散熱、高效率、低成本、調光無閃爍、大范圍調光、可靠性、安全性和消除色偏。這些挑戰需要綜合運用適當的電源系統拓撲架構、驅動電路拓撲結構和機械設計才能解決。
不管是大功率的還是小功率的LED照明應用，一般都由電源、LED驅動器、LED、透鏡和基板幾部分構成，其中關鍵的元件是LED驅動器，它必須提供一個恒流輸出才能保證LED發出的光不會忽明忽暗、以及不會發生LED色偏現象，它一般接受24V-48V的直流電壓輸入，但也有一些先進的LED驅動器可直接接受220V市電交流輸入。
Diodes公司亞太區技術市場總監梁后權指出：“對設計師來說，最大的技術挑戰將是高效率要求、光學設計、熱管理和提高某些應用的可靠性，如高亮度LED街燈。我們現在提供的一系列LED照明解決方案覆蓋從0.1W到250W的應用。”
LED的相對高成本是LED照明市場目前仍難以大規模起飛的主要障礙。例如，英飛凌科技有限公司電源管理業務部產品市場總監Alexander Sommer就說：“大多數小于25W的典型LED照明應用是標志燈、標識燈、以及替代標準的白熾燈和鹵素燈。但與現有的熒光燈和白熾燈技術相比，LED初始成本仍然是進入大眾市場的一個主要障礙。”
“在LED照明系統的應用中，除了選擇合適的LED產品，一個完整的LED照明設計還要包括光學設計、熱設計、產品設計和電氣驅動設計。由于LED是低壓器件，因此將高壓交流供電轉換為LED使用的低壓恒流驅動將面臨許多挑戰。”安森美半導體中國區高級應用經理鄭宗前指出：“進一步說，為了保證LED照明的優勢，LED電氣驅動必須是可靠的、高效率的、安全的和低成本的。因此，針對不同的LED照明的應用，首先需要選擇正確的驅動電路拓撲結構。”安森美半導體現可以提供從1W到500W功率范圍內的全部LED照明解決方案。
為了快速推動LED照明市場的起飛，美國國家半導體公司(NSC)最近瞄準了一塊非常龐大的白熾燈直接替代市場，即用LED燈直接替代現有家庭或其他應用市場中的白熾燈，并推出了一款針對該市場的直接市電輸入LED驅動芯片LM3445。
Cytech產品及設計部工程師徐瑞包也認同主要商業化挑戰是成本。他說：“目前各種功率的LED照明系統在電路上都是可以實現的，技術挑戰來自于終端應用的要求，比如應用于汽車，要考慮到光學設計以及整體散熱設計等。商業化部署的挑戰則主要來自于LED成本。”
LED照明設計的散熱考慮
25W以下的LED照明系統一般設計用于像閱讀臺燈、走廊燈、客廳射燈、家用餐燈、小夜燈等應用，客戶一般希望這類應用設計得越小巧越好，因此其PCB能安放的設計空間相對來說比較小，因此長時間使用時封裝空間內的溫度有可能會很高。由于設計師不太可能在其內安裝一個散熱風扇，因此它的散熱設計就變得非常關鍵和重要。
“大多數小于25W的低功率LED照明應用要求一定程度的小型化。這常常導致更高的功率密度，盡管功耗不是很大。足夠的散熱管理措施必須通過改進的機械結構提供。此外，高電氣效率有助于降低功耗。”Alexander Sommer指出，“如果需要進一步減少熱阻，這可以通過電氣隔離來做到，因為它可以實現最高效率的熱傳遞。這些方法也允許實現優化的流明輸出。”
另一種防止LED長時間工作過熱問題的思路是采用調光解決方案。飛兆半導體公司高壓IC產品行銷經理SangCheol Her表示：“相比熒光燈和白熾燈，采用調光解決方案是降低LED功耗的重要途徑，這種方案利用調光控制器來實現。尤其是對于小于25W的LED驅動解決方案，由于PCB尺寸小，而封裝空間有限，散熱問題無可避免，所以該方案更顯重要。”
事實上，在這個功率范圍內，LED照明燈將會取代鹵素燈和緊湊型熒光燈(CFL)。此外，先進的技術為了擺脫散熱問題，必須去掉對溫度變化敏感的無源組件如電解電容。然而，目前大多數LED驅動器解決方案都源于電源拓撲并以此為基礎，故應該考慮到溫度范圍的限制，因為一般產品通常基于商業標準，但照明燈卻必須確保能夠適應嚴苛的環境如工業環境。
不過，NSC亞太區電源管理產品市場營銷經理吳志民表示：“白熾燈電燈已面世很多年，對于許多多年未改的技術標準，我們的家居照明系統一直也在沿用許多多年未改的技術標準，這個情況并非一朝一夕可以改變過來。例如，基于散熱及照明角度等問題，原有的舊式電燈插座或裝置并不適宜用來安裝LED燈泡。但除了技術問題之外，成本效益也亦是使LED燈無法普及的最大原因。鎢絲燈泡及霓虹光管的售價約為US$0.6-0.7/Klm，但目前LED燈的售價仍然高達US$40-50/Klm。”
正如以上所說，由于LED燈必須能夠裝設在原有的舊式插座之內，因此散熱是一個必須克服的大問題。但嚴格來說，這可以利用機械工程技術解決的問題，LED系統生產商的責任是努力開發新技術，盡量提高LED的亮度(即每單位功率產生的流明量)。吳志民自信地說：“我們可以提供功效效率最高的LED驅動器，以確保可將整個燈光系統的散熱量減至最少。
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LED照明設計的架構選擇
LED照明系統架構選擇取決于你的設計目標是低成本、高效率還是最小PCB面積。一般來說，小于25W的LED照明系統不要求進行功率校正，因此可以采取簡單一些的拓撲架構，如PSR或Buck拓撲。25W-100W的LED照明應用要求進行功率校正，因此一般采用單級PFC、準諧振(QR)PWM或反激式拓撲。100W以上LED照明應用一般采用效率更高的LLC拓撲和雙級PFC。
“低于25W功率LED照明解決方案可采用PSR或Buck拓撲，因為這一功率范圍主要針對小型設計，強調設計的簡單性。中等功率解決方案(25W-100W)適合于單級PFC、準諧振(QR)PWM、反激式拓撲。”SangCheol Her說，“大功率解決方案(大于100W)則適合采用LLC、QR PWM、反激式拓撲設計。從效率角度來看，LLC和QR性能更好;而PSR方案無需次級反饋，設計簡單，尺寸也比其它方案小。”
鄭宗前也表示：“小于25 W的LED燈具主要應用在室內照明，它們主要采用低成本的反激拓撲結構。安森美半導體的NCP1015和NCP1027單片變換集成電路集成了內置高壓MOSFET 和PWM控制器，可以有效的減少PCB的面積和燈具的體積，提供最大25W的功率輸出(230V AC輸入)。”
“對于非隔離型小于25W LED照明應用，如果輸入到輸出轉換比低，那么簡單的降壓轉換器可以是一個低成本和小體積的選擇。在看重效率的隔離型拓撲架構中，使用像英飛凌CoolSET ICE2QS系列器件的準諧振反激式拓撲就是一個很好的選擇。”Alexander Sommer說。英飛凌是第一家提供數字準諧振反激控制IC的供應商。
25W-100W功率范圍的典型LED照明應用是街道照明(小區道路)和像停車場這樣的公共場所。功率轉換效率、PFC功能的高性價比實現和高顏色品質現在是最重要的三大技術挑戰。例如，在商業照明和街道照明應用中，更長得使用壽命和由此產生的更低維護成本正幫助克服較高初始成本的進入障礙。25W到100W的LED照明應用有功率因數的要求，因此需要增加功率因數校正電路。
“這種電路可以采用傳統的兩段式結構，即有源非連續模式功率因數校正(PFC)電路加DC-DC PWM變換電路，如安森美的功率因數校正控制器NCP1607，NCP1607的外圍電路非常簡單并可以提供很好的性能。”鄭宗前表示，“對于高效率、低成本和小體積的LED方案而言，值得推薦的是單段的PFC電路，它可以同時實現功率因數和隔離的低壓直流輸出，并具有顯著的成本優勢，必將成為中等功率LED照明的主流方案。安森美半導體的NCP1652 為實現單級的PFC電路提供了最優的控制方案。
深圳世強電訊則采用Silicon Labs的C8051F3XX系列8位MCU以軟件方式實現PFC。該公司助理市場經理黃孫峰說：“我們針對家用市電(180V-260V)輸入10W-30W小功率LED照明應用開發出的全數字化LED照明方案，可用軟件控制方式實現高達0.95的PFC值。與硬件PFC相比，該套軟件方案在保證同樣性能指標的前提下，還具有更高的靈活性、適應性及可升級性。”該方案采用的LED驅動器MIC3230的最大輸出電流為350mA，最多可驅動12顆1W的LED，能夠很好地滿足室內照明的需求。
Alexander Sommer說：“對于要求在一個很寬的輸入和/或負載范圍內(如調光)具有效率和性能的25W-100W功率LED照明應用，建議采用帶一個獨立PFC級的準諧振反激式拓撲結構。典型地可實現高達90%的效率。”
100W以上應用包括主要道路和高速公路照明(這里需要高達20K流明或以上的亮度、以及250W的電源輸入)和專業應用，如舞臺燈光照明和建筑泛光燈照明。在高功率應用中使用LED的一個關鍵驅動力是可靠性和低功耗帶來的低擁有成本。例如，其系統效率可與金屬鹵化物和低壓鈉燈相比。初始成本比較可能在短期內繼續是該市場進入門檻。
鄭宗前指出：“對于大于100W的LED應用，我們將采用傳統的有源非連續模式功率因數校正電路和半橋諧振DC-DC 轉換電路。我們推出了一種新型的集成控制器，它集成了有源非連續模式功率因數控制器和具有高壓驅動的半橋諧振控制器。”
該半橋諧振控制器工作在固定的開關頻率和固定的占空比，并且該電路不需要輸出側的反饋控制回路。這使得半橋諧振DC-DC 變換電路工作在效率最高的ZVS和ZCS狀態。直流輸出電壓將跟隨功率因數校正電路的輸出。
Alexander Sommer強調：“對于100W以上的更高功率級LED照明應用，效率變得更加重要，建議使用LLC諧振拓撲結構，它可以實現90%以上的效率。我們建議你使用英飛凌新的8引腳器件ICE1HS01。”
不管LED照明系統的輸出功率有多大，LED驅動器電路的選擇都將在很大程度上取決于輸入電壓范圍、LED串本身的累積電壓降、以及足以驅動LED所需的電流。這導致了多種不同的可行LED驅動器拓撲結構，如降壓型、升壓型、降壓-升壓型和SEPIC型。
凌力爾特公司電源產品部產品市場總監Tony Armstrong指出：“每種拓撲結構都有其優點和缺點，其中，標準降壓型轉換器是最簡單和最容易實現的方案，升壓型和降壓-升壓型轉換器次之，而SEPIC型轉換器則最難實現，這是因為它采用了復雜的磁性設計原理，而且需要設計者擁有高超的開關模式電源設計專長。”
總而言之，終端產品的應用決定LED的拓撲結構，然后再根據LED的拓撲結構和輸入電源再合理選擇Buck、Boost、SEPIC、或Buck-Boost結構。“一般來說，25W以下選用Buck的較多。更大功率的則傾向于選擇Boost結構。效率的話兩者一般都可以做到85%以上，LT3755可以做到高達97%的效率。考慮驅動部分BOM成本的時候更應該考慮整體系統成本。”徐瑞包說，“隨著競爭的加劇，時時會有更低BOM成本的方案，但不一定是最合適的。我們不建議按照這個標準設計產品。PCB面積主要受主要元件的控制，小功率的LED燈盡量采用集成度高的方案。大功率的方案要選用技術集成度高的產品，外圍電路簡單。此處討論的都是指DC-DC的解決方案。”
梁后權也指出：“為了達到高效率要求，應當考慮采用開關模式LED驅動器，大多數這類客戶更喜歡選擇降壓LED驅動器，因為總的效率更高一些。如果從最低BOM成本角度來考慮，開關型LED轉換器不是最便宜的。此類客戶可能會試圖采用線性恒流LED驅動器。這可以提供最低的BOM成本，但效率可能就不會像開關模式LED驅動器那樣高。如從最小PCB板面積的角度考慮，通常將選用開關模式轉換器，因為它們產生更少的熱量，甚至相關的元器件體積也將會更小。”
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模擬、PWM和TRIAC調光方案
LED調光解決方案及規范一直在不斷變化，直到現在還未固定下來，所以現在市場上存在PWM、模擬及可控硅(TRAIC)三種調光方案。PWM和模擬方法是其中較簡單的，但需要構建調光基礎架構和新的調光控制器。
模擬調光方案的缺點是，LED電流的調節范圍局限在某個最大值至該最大值的約10%之間(10:1調光范圍)。由于LED的色譜與電流有關，因此這種方法并不適合于某些應用。
PWM調光方案則是以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率(通常高于100MHz)在零電流和最大LED電流之間進行切換。該占空比改變了有效平均電流，從而可實現高達 3000:1的調光范圍(僅受限于最小占空比)。由于LED電流要么處于最大值，要么被關斷，所以該方法還具有能夠避免在電流變化時發生LED色偏的優點，而在采用模擬調光時這種 LED 色偏現象是很常見的。
SangCheol Her則看好TRIAC調光方案的市場前景，他表示：“可控硅(TRIAC，2線調光)將成為非常流行的解決方案，因為這種技術可以完全使用傳統的系統而不需任何改變。而且，它還能夠擴展為3線調光，以避免出現與低功率因數值相關的缺陷。”
TRIAC調光今天是業內非常熱的一個話題，最初，TRIAC調光器是為白熾燈而設計的，但大多數用戶希望相同的TRIAC調光器也能對替代的LED燈進行調光。梁后權表示：“Diodes Zetex目前可為客戶提供全部的調光解決方案(包括PWM、模擬和TRIAC)。例如，ZXLD1362 LED驅動器用一個ADJ引腳來實現模擬和PWM調光，這就為客戶帶來了很大的設計靈活性。”
不過，鄭宗前認為，市場上TRIAC調光器的應用方案應該只是過渡性的，長遠來說，應該會用PWM調光。他說：“主要的三點決定性因素為：1)用PWM 調光從零到最光，都不會有閃爍的現象。2)性能會更好。因為調光輸出功率采用了功率因數校正電路，這是配合全球對燈光采用功率因數有強制性的要求，雖然一般從25 W開始有這要求，但美國要求燈光從零瓦起已需強制性功率因數校正電路。如采用TRAIC調光將犧牲功率因數和增加了電路的復雜性。因此，采用PWM調光可以提供最好性能的選擇，也是未來的趨勢。3)成本會更好。用PWM調整占空比，不需要太多額外的控制電路成本。”
Alexander Sommer也看好PWM調光方案前景，他說：“與模擬調光方法相比，LED的PWM調光方法有以下優點：1)效率更高;2)不管調光程度有多大，允許LED一直在優化的和恒定的電流下工組;3)在整個調光范圍內LED顏色色調保持一致(顏色色調像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化)。”
徐瑞包也坦率地說：“個人覺得，調制方式的選擇不應該決定于LED的功率。而應決定于終端產品的應用要求。比如，顯示背光或者LED裝飾燈可能會選用PWM的調光方式，顏色一致性好，亮度級別高。但是對于一般的家用照明或者商業照明，模擬調光或者TRIAC也可以選擇，不過會產生色偏，并且調光的級別會很低。”
梁后權也表示：“為了在連續調光時實現無閃爍，大多數客戶喜歡選擇PWM調光，因為它可提供更大的調光范圍和更好的線性度。取決于你正在使用的調光頻率，閃爍現象可以降到最小。模擬調光更容易實現，因為它只需要一個DC電壓就可以無閃爍地對LED進行調光。但通常來說，調光范圍要窄一些。”
對于由多個LED構成的大功率照明應用，確保每個LED具有均勻的亮度且不產生任何閃爍也成為了主要的設計障礙，但PWM方法很容易解決調光時的閃爍問題。“若PWM調制器的占空比能保持恒定，就便應該不會存在有燈光亮度不均勻的問題。”吳志民表示，“美國國家半導體的LED驅動器不但能確保輸出的電流大小均勻，而且也確保畫面有極高的光暗對比度。從以這幾方面來說，我們的LED驅動器都比市場上的同級產品更出色優勝。”
Tony Armstrong指出，總之，最終用戶所采用的調光方法在很大程度上將由LED本身的最終用途來決定。例如，在LED用于給顯示器提供背面照明的汽車信息娛樂系統中，環境照明的亮度變化范圍是非常寬的，既有陽光充足時的無比明亮，也有無月之夜的漆黑一片，可謂千差萬別。由于人眼對于環境照明條件的輕微變化極其敏感，因此需要3000:1的寬調光范圍。這將要求LED驅動器電路采用PWM調光方法。
不過，他補充道：“在LED街燈中，由于這種燈常常要么處于接通狀態要么處于關斷狀態，因而只需要一個有限的調光范圍即可。在這種場合中，僅需采用一種簡單的模擬調光法便能滿足要求。”
如前所述，小于25W的LED照明應用主要是替換標準白熾燈和鹵素燈。在這一功率范圍上，最可能的一個應用就是替代由基于TRIAC(雙向可控硅)的逐步削減入墻式調光器控制的白熾燈或節能燈。目前市場上有前沿和后沿削減調光器，這為整體兼容性帶來了挑戰，因為從EMI的角度來看TRIAC調光是很差的。
“對于要求最佳性價比的非調光應用，使用像英飛凌TDA4863G這樣的DCM PFC的單級PFC反激拓撲是一個合適的選擇。”Alexander Sommer認為，“25W及以上功率范圍LED照明應用面向更多的專業市場。調光控制方法的選擇將取決于它是替代型還是新安裝型。數字照明控制(如DALI或無線解決方案)允許對調光水平進行更精確的控制、以及更多的功能，如日光下調光和占空比感應。替代型安裝可能要求兼容舊的模擬1-10V調光控制器。”
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